流體力學(xué)基本理論范文

時(shí)間:2023-12-22 18:04:33

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篇1

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型大學(xué) 流體力學(xué) 教學(xué)改 革CFD

應(yīng)用型教育是以培養(yǎng)知識(shí)和能力全面發(fā)展,面向生產(chǎn)實(shí)踐一線的應(yīng)用型人才為目標(biāo)的高等教育。流體力學(xué)作為我校理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,非常廣泛地應(yīng)用在實(shí)際工程中,如管道水力計(jì)算以及城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)等。流體力學(xué)基本概念多、公式復(fù)雜、內(nèi)容抽象,有較強(qiáng)理論性和較強(qiáng)工程實(shí)際意義。然而作者在多年的流體力學(xué)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍感覺(jué)該課程比較枯燥難學(xué),學(xué)習(xí)積極性不高,期末考試及格率較低,應(yīng)用性不。因此,在我校向“應(yīng)用型特色科技大學(xué)”轉(zhuǎn)型的大背景下,如何適應(yīng)“應(yīng)用型本科教育”的要求,是流體力學(xué)教學(xué)及實(shí)踐中必須面對(duì)的問(wèn)題。

1目前,我校流體力學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

(1)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)偏重理論推導(dǎo)。目前我校使用的流體力學(xué)教材主要強(qiáng)調(diào)課程的完整性和系統(tǒng)性,偏重于理論推導(dǎo),選用的例題和練習(xí)題的設(shè)計(jì)過(guò)于理想化,與實(shí)際應(yīng)用相脫離,應(yīng)用性設(shè)計(jì)不夠突出,偏重于介紹流體力學(xué)可以解決工程問(wèn)題這一點(diǎn),造成學(xué)生剛接觸工程問(wèn)題時(shí)就手足無(wú)措,這與應(yīng)用型大學(xué)的培養(yǎng)要求不相適應(yīng)。

(2)課堂教學(xué)效果不好。作者在流體力學(xué)課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn),通過(guò)緒論課的大量工程實(shí)例以及視頻教學(xué)能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,開(kāi)學(xué)初期,教學(xué)效果相對(duì)較好,而隨著課程的進(jìn)行、課程難度的加深,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性越來(lái)越低。主要原因有:①學(xué)生對(duì)流體力學(xué)涉及的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等課程的知識(shí)掌握不盡如意;②流體力學(xué)理論性較強(qiáng),公式推導(dǎo)多,與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)。

(3)缺乏計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件實(shí)踐教學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)作為一種數(shù)值模擬方法,在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,借助CFD技術(shù),可以得到流動(dòng)細(xì)節(jié),如速度、壓力、能量損失、湍動(dòng)量、漩渦等,從而在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。這就要求技術(shù)人員掌握流體力學(xué)分析、數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。而現(xiàn)階段我校的流體力學(xué)教學(xué)中并未引入CFD技術(shù),僅安排了一次課來(lái)介紹計(jì)算流體力學(xué)的內(nèi)容,且完全進(jìn)行理論教學(xué),學(xué)生學(xué)了一大堆理論公式,但拿到實(shí)際工程問(wèn)題卻無(wú)從下手。

2教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題,作者在結(jié)合本校“應(yīng)用型特色科技大學(xué)”的發(fā)展方向下對(duì)流體力學(xué)課程課堂教學(xué)方式及實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。從課程教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)方式方法,實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì),解決學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低,課堂教學(xué)效果較差,理論與應(yīng)用相脫離的問(wèn)題。同時(shí),通過(guò)借助CFD豐富教學(xué)內(nèi)容,增強(qiáng)實(shí)用性,使學(xué)生會(huì)用仿真軟件求解工程問(wèn)題。具體改革內(nèi)容:

2.1突出應(yīng)用性教學(xué)

以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為教學(xué)目標(biāo),結(jié)合流體力學(xué)的課程特點(diǎn),將教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論教學(xué)部分和考慮應(yīng)用的專題教學(xué)部分。

基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容包括流體力學(xué)基本概念、基本原理和基本方程,這是應(yīng)用的基礎(chǔ),要求學(xué)生重點(diǎn)掌握。授課過(guò)程中強(qiáng)調(diào)對(duì)基本概念的理解和基本理論的應(yīng)用,而弱化對(duì)方程的數(shù)學(xué)推導(dǎo),但應(yīng)明確方程的意義、適用條件以及如何應(yīng)用方程解決實(shí)際問(wèn)題。專題教學(xué)以實(shí)際工程問(wèn)題為切入點(diǎn),例如以均質(zhì)液體對(duì)平壁和曲壁的總壓力為例,從為什么對(duì)平壁和曲壁總壓力進(jìn)行計(jì)算(壓力容器,水壩,潛艇等結(jié)構(gòu)安全),引申出相關(guān)知識(shí)點(diǎn)(平壁和曲壁總壓力的大小、作用點(diǎn)、壓力體等)和基本理論(流體靜力學(xué)基本方程、歐拉平衡方程等),以此加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

2.2課堂教學(xué)方法設(shè)計(jì)具有針對(duì)性

課堂教學(xué)方法也是影響教學(xué)效果的重要因素。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師主講為主,缺乏與學(xué)生的有效互動(dòng)和交流,教學(xué)效果較差。本課程采用師生互動(dòng)的方式進(jìn)行教學(xué),對(duì)理論教學(xué)部分采用教師主講和提問(wèn)、學(xué)生回答的方式;對(duì)專題教學(xué)的課后練習(xí),集中安排一次課進(jìn)行分組上講臺(tái)匯報(bào),學(xué)生自己當(dāng)評(píng)委,自己打分,鍛煉學(xué)生主動(dòng)思考和動(dòng)手能力,增強(qiáng)對(duì)課程應(yīng)用性的理解。同時(shí),采用多媒體授課,圖片和視頻能形象直觀地表現(xiàn)文字和語(yǔ)言不能描述的現(xiàn)象,如雷諾實(shí)驗(yàn)、卡門渦街等。在成績(jī)的構(gòu)成上除課后作業(yè)和專題匯報(bào)外,還布置一個(gè)課外小任務(wù)一觀察生活中的流體力學(xué),例如空調(diào)掛機(jī)安裝位置問(wèn)題,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的流體力學(xué)現(xiàn)象,并結(jié)合課堂所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行分析,增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2.3將CFD技術(shù)引入課堂教學(xué)

在理論教學(xué)和專題教學(xué)完成后將CFD技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之中,做到數(shù)值仿真計(jì)算與理論推導(dǎo)相結(jié)合,增強(qiáng)流體力學(xué)的應(yīng)用性。

(1)授課時(shí)對(duì)流體力學(xué)商用數(shù)值仿真軟件Fluent的操作步驟做簡(jiǎn)要介紹,結(jié)合我校的數(shù)值仿真中心,完成代表性例題的數(shù)值分析計(jì)算,將數(shù)值仿真結(jié)果與理論解進(jìn)行對(duì)比。

(2)將工程實(shí)際問(wèn)題引入流體力學(xué)教學(xué),提高學(xué)生面對(duì)具體問(wèn)題的實(shí)際操作能力。每學(xué)期邀請(qǐng)兩位具有豐富工程實(shí)際問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)的校外人員來(lái)校給學(xué)生做一次報(bào)告,向?qū)W生介紹其建立工程問(wèn)題的簡(jiǎn)化模型和簡(jiǎn)化過(guò)程,以及采用Fluent求解過(guò)程和結(jié)果,讓學(xué)生學(xué)會(huì)面對(duì)工程問(wèn)題時(shí)準(zhǔn)確建立力學(xué)模型的能力,同時(shí)開(kāi)闊學(xué)生的視野,提高學(xué)習(xí)積極性。

3主要特色

(1)突出實(shí)用性。在流體力學(xué)課程教育中調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,添加CFD技術(shù)的實(shí)踐,同時(shí)邀請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的校外人員進(jìn)課堂,為學(xué)生講解企業(yè)中的實(shí)際問(wèn)題,教會(huì)學(xué)生學(xué)以致用,學(xué)生通過(guò)課程教學(xué)掌握該工具之后能更好地跟進(jìn)企業(yè)工作并提高就業(yè)質(zhì)量。(2)主次明確。強(qiáng)調(diào)實(shí)用性的同時(shí),也不完全放棄對(duì)公式推導(dǎo)能力的教學(xué),采取理論聯(lián)與工程實(shí)際相結(jié)合的方式,在提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí),增強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)知。

篇2

本書旨在描述旋轉(zhuǎn)、分層與磁場(chǎng)是如何影響湍流的。

本書共有19章,1:波動(dòng)與湍流的相互聯(lián)系,包括波動(dòng)的三種類型、波與湍流、地球物理與天體物理中的湍流。從第2章開(kāi)始分為3部分。第1部分為從流體力學(xué)到磁流體力學(xué),討論了簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)液體、分層流體的基本理論和磁流體力學(xué),含第2-7章:2.初等流體動(dòng)力學(xué),包括納維葉-斯托克斯方程、粘性流體中的能量損耗、渦度方程等;3.旋轉(zhuǎn)流體運(yùn)動(dòng),包括地球自轉(zhuǎn)偏向力、慣性波、波動(dòng)與穩(wěn)定性、羅斯貝波等;4.分層流體運(yùn)動(dòng),包括波西內(nèi)斯克近似、阻塞高壓、背風(fēng)波、內(nèi)重力波、位勢(shì)渦度、谷風(fēng);5,電動(dòng)力學(xué)方程,包括麥克斯威方程、安培法拉第定律完整版、洛倫茲力、麥克斯威應(yīng)力、法拉第張力、磁場(chǎng)與速度場(chǎng)的轉(zhuǎn)換;6.導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng):磁流體力學(xué),包括磁流體力學(xué)方程、低磁雷諾數(shù)下的磁阻尼、高磁雷諾數(shù)下的動(dòng)力學(xué)等;7.湍流的不穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)換,包括成層切變流的穩(wěn)定性、理想流體磁流體力學(xué)平衡穩(wěn)定性等。

第2部分為沒(méi)有體積力作用的湍流,討論了從基本原理中發(fā)展出來(lái)的湍流理論,含第8-11章:8.湍流的基本性質(zhì);9.湍流語(yǔ)言:運(yùn)動(dòng)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué),包括速度關(guān)聯(lián)函數(shù)與結(jié)構(gòu)函數(shù)、傅里葉空間、各向同性的簡(jiǎn)化;10.流體動(dòng)力學(xué)湍流Ⅰ:經(jīng)典理論,包括理查森現(xiàn)象與科莫現(xiàn)象、渦旋伸展與實(shí)質(zhì)線伸展、卡霍二氏方程式等;11.流體力學(xué)湍流Ⅱ:旋轉(zhuǎn)、分層與磁流體力學(xué)湍流,包括各向同性湍流、二維湍流等。

第3部分為有體積力作用下的湍流,這是本文的核心部分,討論了旋轉(zhuǎn)、分層與有磁場(chǎng)作用下的湍流,含第12-19章:12.快速旋轉(zhuǎn)流體,包括波傳播中的結(jié)構(gòu)形成、氣旋反氣旋不對(duì)稱、能量衰減速度;13.地球物理:淺水體,快速旋轉(zhuǎn)湍流,包括控制方程、統(tǒng)計(jì)學(xué)不變量、β平面湍流及其緯向環(huán)流與光譜;14.均勻分層湍流,包括控制方程與無(wú)因次群、尺度分析、分層湍流的光譜分析、能量衰減速率等;15.分層切變流與大氣邊界層,包括分層剪切流方程與通量理查森數(shù)、大氣邊界層等;16.小磁雷諾數(shù)磁流體力學(xué),包括控制方程、角動(dòng)量守恒、渦流的演化等;17.地心處的湍流:地球發(fā)動(dòng)機(jī),包括地球發(fā)動(dòng)機(jī)理論、地球的結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)分布、數(shù)值模擬、其他行星發(fā)動(dòng)機(jī);18.高磁雷諾數(shù)磁流體力學(xué),包括二維磁流體力學(xué)、螺旋氣流與選擇性衰減、阿爾芬湍流的譜理論等;19.天體物理湍流,包括吸積盤、太陽(yáng)渦流、太陽(yáng)風(fēng)。

篇3

關(guān)鍵詞:建構(gòu)主義;認(rèn)知靈活性理論;熱工理論

作者簡(jiǎn)介:衣曉青(1956-),女,山東青島人,長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,教授;石爾(1979-),女,湖南長(zhǎng)沙人,長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,講師。(湖南 長(zhǎng)沙 410004)

基金項(xiàng)目:本文系2011年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目的研究成果。

中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2013)16-0069-02

“工程流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”既是熱工理論的三大主干課程,又是能源動(dòng)力類專業(yè)(方向)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課。傳統(tǒng)的教學(xué)宗旨傾向于各門基礎(chǔ)課程自成科學(xué)體系,分別獨(dú)立教學(xué),為后續(xù)專業(yè)課程打下牢固基礎(chǔ)。但是這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式死板,致使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興致,不易明確學(xué)習(xí)目的。建構(gòu)主義的認(rèn)知靈活性理論發(fā)現(xiàn)了新的教學(xué)要素——“案例教學(xué)”。按照認(rèn)知靈活性理論,對(duì)以上熱工理論三大基礎(chǔ)主干課程進(jìn)行優(yōu)化整合,以熱能動(dòng)力類專業(yè)為場(chǎng)景,建構(gòu)諸多新的知識(shí)點(diǎn)教學(xué),組織全新的熱工理論基礎(chǔ)課程體系,可以使熱工理論基礎(chǔ)課教學(xué)克服以上不足。

一、打破僵化教學(xué):認(rèn)知靈活性理論的應(yīng)用

建構(gòu)主義教學(xué)理論沖破了傳統(tǒng)教學(xué)模式,克服了“填鴨式”教學(xué)把學(xué)生作為小綿羊馴服的弊端。[1]作為建構(gòu)主義教學(xué)理論中的一個(gè)分支,斯皮羅提出的“認(rèn)知靈活性”理論很好地解決了“死記硬背”傳統(tǒng)與極端建構(gòu)主義(忽視抽象養(yǎng)成)之間的矛盾。認(rèn)知靈活性理論的主要思想就是:通過(guò)情景(境)展現(xiàn)基本概念和基礎(chǔ)理論工具,學(xué)生既可以掌握基礎(chǔ)理論知識(shí),又可以按抽象思維方式,放開(kāi)視野尋找新的分析問(wèn)題的工具。

為了解決傳統(tǒng)與極端的沖突,斯皮羅把知識(shí)抽象為兩種不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu):良構(gòu)的與非良構(gòu)的兩種領(lǐng)域。[2]良構(gòu)的即是指:按照抽象思維,從概念到原理的演繹解析的知識(shí)體系,符合科學(xué)意義上的正統(tǒng)規(guī)范。非良構(gòu)的即是指:在具體場(chǎng)景(案例)中,隱透出的各種良性結(jié)構(gòu)的知識(shí)疊合;這種疊合的基礎(chǔ)知識(shí)能夠解釋或解決具體場(chǎng)景問(wèn)題;不同的場(chǎng)景有不同的良性結(jié)構(gòu)知識(shí)疊合的詮釋。由此得出結(jié)論,良性結(jié)構(gòu)知識(shí)就存在于非良性結(jié)構(gòu)知識(shí)之中,“認(rèn)知靈活性”教學(xué)就可以讓學(xué)生通過(guò)非良性知識(shí)教學(xué)獲得更加深刻的良性結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)知識(shí),而且是積極主動(dòng)地、生動(dòng)有趣地接受之。

熱工理論是研究熱(能)在釋放、轉(zhuǎn)換和傳遞中的流體流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)等問(wèn)題的科學(xué),涉及流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、熱(能)轉(zhuǎn)換與傳遞規(guī)律。按照認(rèn)知靈活性理論的教學(xué)觀,熱工理論基礎(chǔ)課教學(xué)也可分類為良構(gòu)性和非良構(gòu)性。熱工理論的三大主干課程“工程流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”和“傳熱學(xué)”分別作為單獨(dú)體系教學(xué)的基本概念、基本理論和基本知識(shí)的層次組織結(jié)構(gòu),應(yīng)屬于良構(gòu)性領(lǐng)域,其傳統(tǒng)的教學(xué)方式就是從概念到概念、從原理到原理、從公式到公式的演繹解析,邏輯性很強(qiáng),范式文本較固定,程式較穩(wěn)定,測(cè)驗(yàn)作業(yè)較死板。

“認(rèn)知靈活性”教學(xué)理論認(rèn)為,這種教學(xué)方式僵化、被動(dòng),既不能啟動(dòng)學(xué)生的興趣,也不能啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造想象力,學(xué)生容易落入死記硬背、教條主義的套路,缺乏廣泛的知識(shí)聯(lián)系和舉一反三的思維訓(xùn)練,更缺乏給學(xué)生以另辟蹊徑的想象空間。如果以流體介質(zhì)為對(duì)象將熱工理論三大主干課程進(jìn)行優(yōu)化整合(雜交),并以熱工理論應(yīng)用為主線,將能源動(dòng)力類相關(guān)專業(yè)作為場(chǎng)景,構(gòu)成非良構(gòu)性知識(shí)結(jié)構(gòu),其所涉及的具體問(wèn)題具有復(fù)雜背景和綜合影響因素,能夠從問(wèn)題入手引出綜合知識(shí)的有機(jī)聯(lián)系,開(kāi)闊學(xué)生發(fā)展思路,引導(dǎo)學(xué)生融會(huì)貫通,指導(dǎo)學(xué)生熟知專業(yè)背景。這種按照認(rèn)知靈活性教學(xué)理論建立起來(lái)的熱工理論基礎(chǔ)課程的非良構(gòu)性知識(shí)體系會(huì)沖破傳統(tǒng)的各自為主的單科系統(tǒng)性的課程教學(xué)模式,有利于克服“高分低能”的應(yīng)試教育傾向,培養(yǎng)面對(duì)知識(shí)時(shí)代和信息社會(huì)的創(chuàng)新型人才。

二、創(chuàng)建問(wèn)題教學(xué):熱工理論基礎(chǔ)三大主干課程的優(yōu)化整合

認(rèn)知靈活性理論認(rèn)為:學(xué)習(xí)者在建構(gòu)知識(shí)意義的過(guò)程中,只有對(duì)知識(shí)進(jìn)行多維表征,才能達(dá)到對(duì)知識(shí)的全面理解和靈活運(yùn)用。這也是指導(dǎo)熱工理論基礎(chǔ)三大主干課程進(jìn)行優(yōu)化整合的基本思想。熱工理論基礎(chǔ)三大主干課程“工程熱力學(xué)”、“傳熱學(xué)”和“工程流體力學(xué)”是主要以流體介質(zhì)為研究對(duì)象而緊密聯(lián)系在一起的動(dòng)力類技術(shù)基礎(chǔ)性課程,三門課程相互依存,共同構(gòu)成了熱工理論的主干課程體系。其中,工程流體力學(xué)是研究流體介質(zhì)的位置勢(shì)能、壓力勢(shì)能和動(dòng)能之間的相互作用的關(guān)系;工程熱力學(xué)是研究熱能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律;傳熱學(xué)是研究熱量從高溫部分傳遞到低溫部分的機(jī)理。由此可見(jiàn),能(熱)量轉(zhuǎn)換與守恒定律是熱工理論三大主干課程進(jìn)行優(yōu)化整合的內(nèi)在動(dòng)力。

基礎(chǔ)課理論自身系統(tǒng)的完善性使任何改動(dòng)需求都帶有相當(dāng)大的難度,只有進(jìn)行優(yōu)化整合,才能在不斷調(diào)整和深化過(guò)程中發(fā)展新的學(xué)習(xí)要素。例如,“傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)值方法”課程就是將傳熱學(xué)、流體力學(xué)知識(shí)進(jìn)行融合后加入到數(shù)值計(jì)算科學(xué)這一更為廣泛的學(xué)科領(lǐng)域,為熱工理論知識(shí)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),通過(guò)這一知識(shí)的優(yōu)化整合,多維表征得以實(shí)現(xiàn),使學(xué)生建構(gòu)起在熱科學(xué)和流體科學(xué)中可以直接遷移和引用的關(guān)于熱物理方面的知識(shí),超越了封閉、孤立課程所給的單一信息模式。

如果說(shuō)熱工理論的三大主干課程“工程流體力學(xué)”、“工程熱力學(xué)”和“傳熱學(xué)”分別作為單獨(dú)體系教學(xué)是良性結(jié)構(gòu)知識(shí)的傳授,那么,把“三課”拆分,再按照具體能量轉(zhuǎn)換的場(chǎng)景問(wèn)題有機(jī)組合,這種教學(xué)模式就屬于非良性結(jié)構(gòu)教學(xué)。喬納生等人的研究把前者稱作低階學(xué)習(xí)階段,把后者稱作高級(jí)學(xué)習(xí)階段。[3]高級(jí)學(xué)習(xí)階段優(yōu)于低級(jí)學(xué)習(xí)階段的實(shí)質(zhì)就是變公式學(xué)習(xí)為問(wèn)題學(xué)習(xí)。問(wèn)題學(xué)習(xí)對(duì)于熱工基礎(chǔ)理論教學(xué)來(lái)說(shuō),打破其三大主干課程的各自理論體系是必然的,是要針對(duì)具體的場(chǎng)景問(wèn)題而進(jìn)行知識(shí)交叉組合。值得注意的是:根據(jù)認(rèn)知靈活性教學(xué)理論,這種知識(shí)體系重組,必須避免極端建構(gòu)主義干擾,必須遵循“專業(yè)問(wèn)題、溯本求源、知識(shí)聯(lián)系”三原則,才是優(yōu)化的、高級(jí)的教學(xué)模式。

三、重復(fù)多變教學(xué):能源動(dòng)力類專業(yè)問(wèn)題逆向滲透于熱工理論基礎(chǔ)課程

非良構(gòu)的知識(shí)體系與良構(gòu)性知識(shí)體系的區(qū)別就在于:一是前者比后者建立的概念龐大、復(fù)雜,它往往是多個(gè)不同學(xué)科孤立概念的交集;二是前者比后者建立的概念有很大的多變性,這是由問(wèn)題教學(xué)場(chǎng)景多變性所決定的。熱工理論基礎(chǔ)知識(shí)在航天、航空、熱能動(dòng)力、化工、核熱工、低溫工程、冶金熱工、微電子技術(shù)、材料和建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有具體的應(yīng)用,從知識(shí)體系的角度來(lái)看,其展現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)都是非良性的。實(shí)際上,在能源動(dòng)力類相關(guān)專業(yè)的不同場(chǎng)景下,其呈現(xiàn)的非良性知識(shí)結(jié)構(gòu)也存在著很大的差異性。例如,工程熱力學(xué)中的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)在熱機(jī)循環(huán)中的應(yīng)用是熱效率,而在制冷循環(huán)中的應(yīng)用是制冷系數(shù)。這說(shuō)明熱經(jīng)濟(jì)性概念在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有復(fù)雜性。又如,流體力學(xué)在電廠中的應(yīng)用以管內(nèi)流動(dòng)、物體繞流為主,而在建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)中的應(yīng)用以室內(nèi)外環(huán)境通風(fēng)、換氣的流動(dòng)為主。傳熱學(xué)中對(duì)于散熱器來(lái)說(shuō)需要強(qiáng)化傳熱效果,對(duì)于建筑物屏蔽掩體則要抵制傳熱。

在針對(duì)能源動(dòng)力類專業(yè)的熱工理論基礎(chǔ)課程進(jìn)行新的建構(gòu)中,按照認(rèn)知靈活性教學(xué)理論,必須將原有良性結(jié)構(gòu)體系的知識(shí)與專業(yè)場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)。這種有專業(yè)針對(duì)性的知識(shí)滲透,有學(xué)者稱其為專家知識(shí)學(xué)習(xí)階段,屬于更高層次。[2]比如,把能源動(dòng)力類專業(yè)(方向)的“流體力學(xué)”、“泵與風(fēng)機(jī)”兩門課程整合為熱工理論基礎(chǔ)課“泵與風(fēng)機(jī)的流體流動(dòng)”一章,以流體力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ),反映了流體力學(xué)基本原理在流體機(jī)械中的具體應(yīng)用場(chǎng)景,通過(guò)多媒體教學(xué)課件可以使學(xué)生建構(gòu)泵與風(fēng)機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)的多維圖式,達(dá)到對(duì)流體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)全面理解和靈活運(yùn)用的目的。

按照斯皮羅的認(rèn)知靈活性理論規(guī)范,對(duì)應(yīng)專家知識(shí)學(xué)習(xí)階段的教學(xué)模式即“隨機(jī)通達(dá)教學(xué)法”,它的主要特點(diǎn)就是針對(duì)專業(yè)的眾多場(chǎng)景鏈,反復(fù)從不同問(wèn)題視角,以不同的基本知識(shí)、基本公式、基本理論的多樣組合,不斷給予學(xué)習(xí)者良性知識(shí)的刺激,這會(huì)使學(xué)習(xí)者通過(guò)反復(fù)的從各種變式到抽象的過(guò)程,不斷加深對(duì)良性結(jié)構(gòu)知識(shí)的各種理解,而且有助于學(xué)習(xí)者歷練分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,發(fā)揮創(chuàng)造性思維,為今后在專業(yè)上有所建樹打下堅(jiān)實(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。貫穿于這一思想的新的“熱工理論基礎(chǔ)”課程體系,組織“鍋爐工質(zhì)流動(dòng)與熱交換”、“汽輪機(jī)流體流動(dòng)與功能轉(zhuǎn)換效率”、“熱力發(fā)電廠工質(zhì)循環(huán)與熱效率”等章節(jié),探討基于專家知識(shí)學(xué)習(xí)理念的非良構(gòu)知識(shí)領(lǐng)域的顯性建構(gòu),加入熱能動(dòng)力類專業(yè)知識(shí)對(duì)熱工理論基礎(chǔ)課的反向滲透,有效增加課程教學(xué)的深度和廣度這一結(jié)果就自然生成了。

除了書本專業(yè)知識(shí)的反向滲透以外,通過(guò)與科研、生產(chǎn)單位合作的科研課題的有機(jī)結(jié)合,也是專家知識(shí)學(xué)習(xí)階段的案例來(lái)源。例如,教師通過(guò)某鋼鐵公司鍋爐尾部煙道聲學(xué)振動(dòng)問(wèn)題的科研活動(dòng),向?qū)W生們提出卡門渦街產(chǎn)生機(jī)理、影響因素以及卡門渦街產(chǎn)生后對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)的危害和消除卡門渦街的措施等諸多學(xué)科問(wèn)題,從而認(rèn)知基本理論。

參考文獻(xiàn):

[1]朱新卓.中國(guó)高等教育管理學(xué):從拔苗助長(zhǎng)到建構(gòu)主義[J].高等工程教育研究,2005,(2).

篇4

工程流體力學(xué)教學(xué)手段教學(xué)效果《工程流體力學(xué)》是機(jī)械工程專業(yè)、石油工程專業(yè)、化學(xué)工程專業(yè)等諸多工科專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,在各個(gè)工程領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。作為力學(xué)的一個(gè)分支,工程流體力學(xué)主要研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律以及流體與固體的相互作用的力學(xué)特點(diǎn),用于分析解決工程設(shè)計(jì)和使用中的實(shí)際問(wèn)題。其特點(diǎn)是數(shù)學(xué)公式多,大部分內(nèi)容都是圍繞數(shù)學(xué)方程的推導(dǎo),理論性強(qiáng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感覺(jué)吃力并且枯燥。因此,為提高教學(xué)質(zhì)量,教育界同行不斷地進(jìn)行著各種各樣的教學(xué)改革探索。

一、聯(lián)系實(shí)際,理論與實(shí)踐相結(jié)合

流體力學(xué)內(nèi)容抽象,概念性強(qiáng),整門課程從頭到尾充斥著偏微分方程,公式推導(dǎo)繁雜。而且與其他力學(xué)課程不同,流體力學(xué)是采用歐拉方法解決問(wèn)題,這一點(diǎn)學(xué)生理解起來(lái)非常困難,導(dǎo)致流體力學(xué)這門課程被公認(rèn)為大學(xué)課程里最難學(xué)的課程之一。為了提高教學(xué)效果,在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中注重理論與實(shí)踐相結(jié)合,更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與掌握。本課程主要圍繞幾大偏微分方程展開(kāi),在講述過(guò)程中如果過(guò)于強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)理論的推導(dǎo)過(guò)程,學(xué)生肯定會(huì)感覺(jué)枯燥無(wú)趣,而且不知道學(xué)習(xí)的真正目的,從而失去學(xué)習(xí)的動(dòng)力。針對(duì)這種情況,我在講述公式推導(dǎo)部分時(shí)著重分析研究思路和方法,重點(diǎn)介紹公式的適用條件及意義,盡量避免長(zhǎng)篇大論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。比如伯努利方程是本課的重點(diǎn),在課堂上我只是把推導(dǎo)思路給大家講清楚,后面花了兩節(jié)課的時(shí)間來(lái)講它的應(yīng)用,包括皮托管測(cè)速計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)以及在一般水力計(jì)算中的應(yīng)用等。在課程的最后部分,針對(duì)授課專業(yè)特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程案例,講述了流體力學(xué)基本理論在實(shí)際中的應(yīng)用,同時(shí)也對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和回顧。通過(guò)上述具體應(yīng)用實(shí)例,使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際,培養(yǎng)學(xué)生以后工作時(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,同時(shí)還能使學(xué)生認(rèn)識(shí)到課程的重要性,增加了學(xué)習(xí)興趣。

二、啟發(fā)-聯(lián)想式教學(xué)

引導(dǎo)和注入是啟發(fā)式教學(xué)方法與灌注式教學(xué)方法在本質(zhì)上的差別之一。啟發(fā)式教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)的是引導(dǎo),也就是通過(guò)引導(dǎo),調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主動(dòng)性、積極性,讓學(xué)生自己去發(fā)展思維而獲取知識(shí)。而灌注式教學(xué)方法則是通過(guò)注入,使學(xué)生被動(dòng)地接受傳授給他的知識(shí)。因此在引導(dǎo)與注入這兩種手段上,有著明顯的差別。所謂引導(dǎo),是指當(dāng)學(xué)生要解決某個(gè)問(wèn)題,但又感到難以解決時(shí),恰到火候,教師及時(shí)給以啟發(fā),讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)新知識(shí),這樣才能很好的發(fā)展學(xué)生的智能。

流體力學(xué)的研究方法和內(nèi)容同工程力學(xué)、工程熱力學(xué)等其他力學(xué)課程有很多相通的地方。所以在教學(xué)過(guò)程中可以通過(guò)啟發(fā)學(xué)生對(duì)以前學(xué)過(guò)的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)回顧,從而引出所講內(nèi)容。比如在講解研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法:拉格朗日方法和歐拉法時(shí),啟發(fā)學(xué)生對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。由于歐拉法是以空間點(diǎn)為研究對(duì)象,這與基于質(zhì)點(diǎn)為研究對(duì)象的工程力學(xué)的研究方法不同,學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于質(zhì)點(diǎn)研究方法,所以接受起來(lái)有點(diǎn)困難,這時(shí)我以氣象觀測(cè)站這樣一個(gè)大家都熟知的例子來(lái)闡述歐拉法的含義,采用直白易懂的語(yǔ)言講述這樣一個(gè)抽象的問(wèn)題,學(xué)生理解起來(lái)容易多了。

學(xué)生在已有的力學(xué)基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)流體理論,并加以比較,不僅可以促使學(xué)生積極思考,而且能利用一門課程中已學(xué)會(huì)的知識(shí)快速掌握另一課程中的內(nèi)容,增強(qiáng)了教學(xué)效果,提高了教學(xué)質(zhì)量。

三、Fluent軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

流體力學(xué)課程的特點(diǎn)是知識(shí)涉及面廣,對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)流體力學(xué)課程里面的概念與原理非常抽象難懂,課程涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)和力學(xué)知識(shí)比較多,且與工程實(shí)際現(xiàn)象緊密結(jié)合,這對(duì)本科生來(lái)說(shuō)更加大了他們學(xué)習(xí)本門課的難度。同時(shí)受教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的限制,任課教師很難形象地將流體流動(dòng)的現(xiàn)象講授給學(xué)生,這樣就造成理論知識(shí)的講解與實(shí)際現(xiàn)象脫節(jié)。FLUENT軟件是目前非常流行的一個(gè)商業(yè)計(jì)算軟件,將其引入本科生流體力學(xué)課堂教學(xué),對(duì)流體力學(xué)課程中的流動(dòng)機(jī)理既能實(shí)現(xiàn)直觀演示,又可以進(jìn)行定量分析。比如在講圓管內(nèi)層流和紊流兩種流態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法,由于牽扯的數(shù)學(xué)理論知識(shí)較多,學(xué)生學(xué)起來(lái)很吃力,而且最終推導(dǎo)出的結(jié)論比較抽象,學(xué)生很難提起興趣。如果采用FLUENT軟件模擬兩種流態(tài),做出不同工況條件下的速度分布曲線、速度分布云圖、速度等值線、切應(yīng)力分布曲線,讓學(xué)生通過(guò)對(duì)這些曲線進(jìn)行分析得出不同流態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,學(xué)生的積極性和主動(dòng)性就能被充分調(diào)動(dòng)起來(lái),從而可以提高教學(xué)效果。

在課程教學(xué)中不斷改進(jìn)教學(xué)方法和手段,用心鉆研,不斷探索,有助于學(xué)生理解掌握課程知識(shí),增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,為學(xué)生將來(lái)從事工程實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]陳小珊,洪文鵬,張玲.工程流體力學(xué)課程改革的思考[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2006,(3):54.

篇5

關(guān)鍵詞:項(xiàng)目化教學(xué)法;流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī);可行性分析

1 前言

最近幾年,國(guó)內(nèi)很多高職高T盒?設(shè)了與熱能與動(dòng)力工程(火力發(fā)電方向)相近的專業(yè)。我校也于2009年開(kāi)設(shè)了電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè),而流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)作為其專業(yè)基礎(chǔ)課在課程體系建設(shè)中占有及其重要的地位并分的大量學(xué)時(shí)。項(xiàng)目化教學(xué)法則是近年來(lái)高職院校教學(xué)中一直推廣的教學(xué)方法,主要是為使學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)化被動(dòng)為主動(dòng)。此方法對(duì)于我校學(xué)生來(lái)說(shuō),在其他專業(yè)已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證,的確能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。本文將對(duì)項(xiàng)目教學(xué)法運(yùn)用于流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)課程教學(xué)的可行性進(jìn)行分析探討。

2 項(xiàng)目教學(xué)法的基本理論

(一)項(xiàng)目化教學(xué)法的起源及定義

在18世紀(jì)的歐洲產(chǎn)生了勞動(dòng)教育思想思潮下,產(chǎn)生了項(xiàng)目化教學(xué)法的初步思想,最終到了19世紀(jì)美國(guó)與合作教育融合產(chǎn)生了項(xiàng)目化教學(xué)法,經(jīng)過(guò)了一百余年的發(fā)展,到1955年后逐漸趨于完美,并最終成為了一種新的教學(xué)理論。

(二)項(xiàng)目化教學(xué)法的基本要求

要求一是,學(xué)生成為項(xiàng)目化課程的主體,教師以一種配角的形式出現(xiàn)在課堂教學(xué)上,這樣學(xué)生就多了更多的獨(dú)立思考,更多的動(dòng)手機(jī)會(huì),這樣有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力;要求二是,執(zhí)行項(xiàng)目化教學(xué)法的主張。其主張強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí),自己查閱,分析的能力,先練后講,邊學(xué)邊教。

3 項(xiàng)目化教學(xué)法在流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)教學(xué)中的特點(diǎn)

(一)目的性

項(xiàng)目化教學(xué)法的目的性很明確,就是通過(guò)一個(gè)個(gè)圍繞知識(shí)點(diǎn)設(shè)置的項(xiàng)目來(lái)鍛煉學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)能力,并培養(yǎng)分析解決實(shí)際問(wèn)題和團(tuán)隊(duì)合作的能力,以此掌握課程所要求的知識(shí)內(nèi)容和崗位能力;而對(duì)于教師來(lái)說(shuō),項(xiàng)目化教學(xué)的目的就是改變現(xiàn)行的教學(xué)模式,使自身從課堂教學(xué)的主體,轉(zhuǎn)變成一個(gè)在學(xué)生實(shí)際完成項(xiàng)目時(shí)的促進(jìn)者,并掌握其中的相關(guān)知識(shí)和技巧。

(二)授課周期短,效果明顯

項(xiàng)目化教學(xué)的另一個(gè)特點(diǎn)就是效率高,經(jīng)歷過(guò)項(xiàng)目化課程的學(xué)生都可以迅速完成到職工之間的轉(zhuǎn)變。結(jié)合流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的項(xiàng)目,可以迅速的使學(xué)生對(duì)實(shí)際操作上手。

(三)注重理論與實(shí)踐相合

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初要依據(jù)理論原理設(shè)計(jì)項(xiàng)目,那么在要完成一個(gè)項(xiàng)目時(shí),必然涉及如何才能完成這樣的問(wèn)題。這就需要理論與實(shí)踐相結(jié)合。

項(xiàng)目化教學(xué)法與其他任何教學(xué)手段一樣,都會(huì)隨著時(shí)間而組建消沉,其如果想用力不敗之地就必須不斷隨著社會(huì)而發(fā)生變化。而變化的依據(jù)是根據(jù)不同的課程或內(nèi)容而有所不同。通過(guò)流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)課程各項(xiàng)目的實(shí)施,使學(xué)生掌握連續(xù)性方程,伯努利方程的應(yīng)用及具備泵與風(fēng)機(jī)的檢修和運(yùn)行的基本知識(shí)和專業(yè)知識(shí)。

4 項(xiàng)目教學(xué)法在流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用(以流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)一次課為例)

(一)項(xiàng)目計(jì)劃階段

我校電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)課程項(xiàng)目化課程整體方案與單元設(shè)計(jì)部分結(jié)合學(xué)校實(shí)際條件和課程的教學(xué)目的進(jìn)行設(shè)計(jì)。在教材方面我校正在編寫該課程的項(xiàng)目化教材,這樣,首先是能夠?qū)λ枰獙W(xué)習(xí)的內(nèi)容章節(jié)總結(jié)和具體化的作用;另一方面,結(jié)合實(shí)際操作條件的教材,可以起到理論聯(lián)系實(shí)際的作用,培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。

(二)實(shí)施階段

第一次課是預(yù)備課,教師對(duì)課文中的新單詞和詞組進(jìn)行講解,將每個(gè)單元的課文劃分成幾個(gè)部分,并設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)境。同時(shí)完成班內(nèi)的分組活動(dòng),可以依照學(xué)號(hào),也可以按照寢室,更可以通過(guò)課堂出的設(shè)計(jì)游戲觀察的結(jié)果分組。本課程每六人一組,每組內(nèi)不能有超過(guò)1名女生,6人一組。每個(gè)小組負(fù)責(zé)一個(gè)部分內(nèi)容的講解。然后進(jìn)行分組的實(shí)際操作

(三)評(píng)估階段

后幾次課是具體的項(xiàng)目實(shí)施階段,讓各小組展示其成果,項(xiàng)目的呈現(xiàn)形式可以是圖片、ppt、實(shí)物,設(shè)計(jì)圖等。檢查評(píng)估是本課程的主要不僅可以讓老師在實(shí)踐中檢驗(yàn)學(xué)生掌握語(yǔ)言的情況,也可以讓學(xué)生通過(guò)小組活動(dòng)來(lái)提高語(yǔ)言的交際能力。這不僅鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力,也鍛煉了學(xué)生專業(yè)知識(shí)的掌握。學(xué)生在講解中充分發(fā)揮特長(zhǎng),學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)自身不足。

(四)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)階段

每個(gè)小組都設(shè)置一份評(píng)分表(此處以項(xiàng)目1-1為例),評(píng)分的權(quán)利不僅僅在老師,同樣將打分權(quán)利很大一部分交給各個(gè)小組的組長(zhǎng),取其平均分,有利于公平公正和公開(kāi)。但在評(píng)分時(shí)要注意,學(xué)生之間因?yàn)殛P(guān)系親疏而帶來(lái)的分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)的偏差,并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題存在時(shí),及時(shí)糾正問(wèn)題,并及時(shí)改正。教師的評(píng)分表是另外一張,本文不附上了,但宗旨是考察學(xué)生的評(píng)分而不是項(xiàng)目結(jié)果。

(五)注意事項(xiàng)

1、項(xiàng)目不能憑空亂設(shè)。要根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況設(shè)計(jì)項(xiàng)目,例如學(xué)校電腦齊備,再購(gòu)買軟件就可以有充分的空間可以安裝,這就是充分利用學(xué)校資源;而學(xué)校沒(méi)有實(shí)物泵,如果設(shè)計(jì)實(shí)物泵相關(guān)是項(xiàng)目,能實(shí)現(xiàn)的可能性就大大降低了。

2、上課時(shí)一定要記住學(xué)生才是這個(gè)課堂的主人,老師不要過(guò)多干涉,喧賓奪主,這樣都是不好的。即時(shí)是需要理論上的指導(dǎo),也要適可而止,指明方向讓學(xué)生自學(xué)或是適當(dāng)點(diǎn)撥都是不錯(cuò)的選擇。

3、項(xiàng)目教學(xué)法對(duì)教師的課堂組織管理和知識(shí)儲(chǔ)備提出了更高的要求。每次的項(xiàng)目成績(jī)可以匯總成平時(shí)成績(jī),便于老師在期末總評(píng)時(shí)一目了然。

(六)結(jié)束語(yǔ)

流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)作為專業(yè)基礎(chǔ)課程,在專業(yè)課的授課過(guò)程中起著承上啟下的作用,基礎(chǔ)課程的扎實(shí)學(xué)習(xí)會(huì)為日后的專業(yè)課學(xué)習(xí)起到事半功倍的作用。能夠讓學(xué)生自主學(xué)習(xí),創(chuàng)新培養(yǎng)模式起到了主導(dǎo)的作用,電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)教學(xué)改革和探索還在邊實(shí)踐邊總結(jié),教學(xué)改革模式也會(huì)日漸完善。

參考文獻(xiàn)

[1]黃蔚雯,朱飚.建設(shè)流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)精品課程的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,7(21):200-202.

篇6

[論文摘要]結(jié)合學(xué)習(xí)主體所處的時(shí)代環(huán)境變化和流體力學(xué)知識(shí)體系的學(xué)科跨度大以及對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)要求很高的特點(diǎn),分析了流體力學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn),提出大量采用實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃蛯?shí)例教學(xué)以加強(qiáng)流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察理解對(duì)提高流體力學(xué)教學(xué)效果的必要性和重要性。 

 

前言 

流體無(wú)固定形狀,即使受到的剪切力再小,只要持續(xù)存在,其變形便會(huì)隨時(shí)間持續(xù)增大,不像固體那樣,一定的受力只能產(chǎn)生一定的變形。流體力學(xué)的基本理論非常嚴(yán)密,描述流體流動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程非常復(fù)雜,高度非線性[1],因此學(xué)生對(duì)流體力學(xué)敬而遠(yuǎn)之的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。此外由于因特網(wǎng)及電子計(jì)算機(jī)的普及,各種虛擬現(xiàn)象泛濫,在這樣的環(huán)境下成長(zhǎng)的學(xué)生接觸和感受實(shí)際發(fā)生的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少,對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和理解能力很弱。很多學(xué)生在接受流體力學(xué)教育之前所受的應(yīng)試教育的影響下[2],學(xué)習(xí)只是為了在短時(shí)間內(nèi)對(duì)給出的試題做出接近正解的答案獲得高分,這種教育具有多大的意義,近年來(lái)許多學(xué)者從教育學(xué)的角度提出了疑問(wèn)[2]。只有直面實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象,抓住問(wèn)題的本質(zhì),才能誕生真正的學(xué)問(wèn)和研究。筆者基于對(duì)本科和研究生的流體學(xué)教學(xué)中存在的難點(diǎn)和問(wèn)題,指出了重視流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解對(duì)提高流體力學(xué)的教學(xué)效果的必要性和重要性。 

 

一、流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題 

 

(一)新形勢(shì)下學(xué)生所處的社會(huì)環(huán)境變化 

學(xué)生從小利用電腦打電子游戲的玩耍時(shí)間和機(jī)會(huì)大大超過(guò)了自己親自動(dòng)手制作道具及模型的體感玩耍時(shí)間,通過(guò)體感玩耍接觸和觀察自然現(xiàn)象的機(jī)會(huì)大大減少。 

因特網(wǎng)的普及使得在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的信息或?qū)崟r(shí)獲得信息成為可能,近年來(lái)出現(xiàn)學(xué)生過(guò)度依賴因特網(wǎng)的傾向,疏遠(yuǎn)了紙質(zhì)圖書及相關(guān)文獻(xiàn)這些知識(shí)比較系統(tǒng)邏輯性也有保證的傳統(tǒng)信息載體。但因特網(wǎng)上除了正確的信息外,還有很多不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的信息,即使是正確的信息,各信息段之間也缺乏系統(tǒng)性,因此學(xué)生僅通過(guò)因特網(wǎng)難以建立系統(tǒng)的知識(shí)體系的。 

手機(jī)在學(xué)生中的普及也使得學(xué)生們?cè)趯?shí)際問(wèn)題時(shí),不是自己獨(dú)立分析問(wèn)題,找出問(wèn)題發(fā)生的原因,而是直接利用手機(jī)詢問(wèn)他人求得答案,這樣很難培養(yǎng)獨(dú)立制定計(jì)劃,對(duì)可能事態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),獨(dú)立進(jìn)行解決問(wèn)題的能力。這恰恰是對(duì)一個(gè)未來(lái)走向社會(huì)成為一個(gè)優(yōu)秀的技術(shù)人員的必經(jīng)的磨礪之道。 

(二)流體力學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題 

流體流動(dòng)的力學(xué)模型及其運(yùn)動(dòng)的物理意義難以理解[3]。流體粘性產(chǎn)生的模型與牛頓粘性定律之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就是最好的一個(gè)例證。大多數(shù)學(xué)生雖然能夠使用牛頓粘性定律進(jìn)行計(jì)算,但對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體為何會(huì)產(chǎn)生粘性卻不能正確的理解。的確,對(duì)于涉及到流體力學(xué)的某些技術(shù)或產(chǎn)品設(shè)計(jì),只要懂得一定的計(jì)算即可,但是對(duì)于開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)全新的產(chǎn)品,如不能準(zhǔn)確把握所涉及到的相關(guān)流體流動(dòng)的物理本質(zhì),有時(shí)會(huì)產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)結(jié)果。 

流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繁多,流體力學(xué)融合領(lǐng)域廣,要求學(xué)生掌握更多的學(xué)科預(yù)備知識(shí),尤其對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的要求更高,使部分學(xué)生覺(jué)得流體力學(xué)是難以接近的一門課。同一流動(dòng)現(xiàn)象常??梢詮亩鄠€(gè)角度進(jìn)行解釋,容易使學(xué)生產(chǎn)生混亂。比如對(duì)翼型的流體力學(xué)工作原理,可以從流體流動(dòng)的動(dòng)量變化、伯努利方程、壓力積分、流線的曲率變化等幾個(gè)方面進(jìn)行解釋,解釋方法之多反而會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生混亂,但每一種解釋方法都是正確的,解釋的都是一個(gè)本質(zhì),只有完全理解各種解釋方法所依據(jù)的理論,才可以解除認(rèn)識(shí)上的混亂,將學(xué)到的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化。 

描述流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程高度非線性化,數(shù)學(xué)上求解比較困難。描述流體流動(dòng)的納維斯方程和能量方程是否可以求解以及數(shù)學(xué)解的唯一性的證明需要微分方程、偏微分方程、多元積分等很深的數(shù)學(xué)功底,但近年來(lái)學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)存在下降的趨勢(shì)。 

學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)前所接受的應(yīng)試教育的影響很大,以考試成績(jī)自評(píng)學(xué)習(xí)效果的認(rèn)識(shí)根深蒂固[4]。實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象往往沒(méi)有單純的標(biāo)準(zhǔn)答案,有時(shí)甚至存在多個(gè)解,重要的是抓住流動(dòng)現(xiàn)象的物理本質(zhì),系統(tǒng)的理解流體力學(xué)的基本原理。 

二、教學(xué)方法對(duì)應(yīng) 

 

解決上述問(wèn)題的根本方法,筆者認(rèn)為只有從流體力學(xué)教學(xué)上,直面涉及流體的各種現(xiàn)象,使學(xué)生準(zhǔn)確的把握物理本質(zhì)。為此在流體力學(xué)課堂上,廣泛采用流體模型教學(xué)和實(shí)例教學(xué),增加學(xué)生觀察理解各種流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)會(huì),喚起他們對(duì)本門課的興趣的同時(shí),讓他們形成為探究流動(dòng)現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)進(jìn)行思考的習(xí)慣,這對(duì)解決流體力學(xué)教學(xué)所面臨的問(wèn)題至關(guān)重要。 

使用電吹風(fēng)斜向上吹一個(gè)讓學(xué)生事先準(zhǔn)備好的氣球模型,沒(méi)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生會(huì)意外的發(fā)現(xiàn)氣球會(huì)向斜上方飄起。這一流體流動(dòng)現(xiàn)象可從風(fēng)從氣球上部通過(guò)時(shí),由于氣球表面的影響風(fēng)的流向會(huì)產(chǎn)生變化,也就是流線產(chǎn)生彎曲,根據(jù)風(fēng)的動(dòng)量變化必然產(chǎn)生使得氣球浮起的升力得到解釋,還可以從物體繞流邊界層效應(yīng)得到解釋。從這一簡(jiǎn)單的模型教學(xué),還可以解釋飛機(jī)的機(jī)翼通過(guò)改變空氣的流向進(jìn)而獲得升力的流體力學(xué)上的工作原理。 

在一個(gè)裝滿水的塑料瓶?jī)?nèi)分別放入密度大于水和小于水的鋼球和泡沫小球,然后放在一個(gè)可移動(dòng)桌面上,使桌面等直線加速運(yùn)動(dòng),可發(fā)現(xiàn)鋼球運(yùn)動(dòng)較慢留在瓶底,而泡沫球運(yùn)動(dòng)較快停在瓶嘴附近。觀察這一個(gè)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生:泡沫球運(yùn)動(dòng)得較快是因?yàn)榈燃铀龠\(yùn)動(dòng)瓶?jī)?nèi)流體的靜壓在運(yùn)動(dòng)方向上遞減形成壓力梯度,小球的前進(jìn)方向的壓力大于等加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力,因此小球相對(duì)于塑料瓶向前運(yùn)動(dòng);而作用于鋼球的前進(jìn)方向的靜壓力雖然與泡沫小球相同,但慣性力大于前進(jìn)方向的靜壓力,因此鋼球相對(duì)于塑料瓶向后移動(dòng)。這一模型教學(xué)比一般教科書上關(guān)于流體等加速直線運(yùn)動(dòng)流體的靜壓分布的例題更容易使學(xué)生抓住問(wèn)題本質(zhì),且能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考之習(xí)慣,使學(xué)生體會(huì)到透過(guò)流體流動(dòng)現(xiàn)象來(lái)正確觀察和理解把握流體力學(xué)基本規(guī)律的樂(lè)趣。 

經(jīng)常使用立式洗衣機(jī)的人都知道,洗完衣服后,衣兜總要被翻過(guò)來(lái),假如原來(lái)兜里裝有硬幣等硬物,也會(huì)被掏出來(lái)[5]。把這個(gè)實(shí)例在課堂上講出后,學(xué)生們甚有興趣,追問(wèn)其中的奧秘,當(dāng)教師根據(jù)伯努利定律做出解釋并介紹伯努利這位集物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、力學(xué)家及醫(yī)學(xué)家于一身的瑞士的大科學(xué)家的基本情況后,學(xué)生們頓時(shí)對(duì)這位科學(xué)家充滿了崇敬之情,通過(guò)大量這種實(shí)驗(yàn)?zāi)P图皩?shí)例教學(xué),學(xué)生們對(duì)學(xué)習(xí)流體力學(xué)這門課更有了興趣和信心,教學(xué)效果的提高自不待言。 

 

三、結(jié)語(yǔ) 

本文詳盡的分析了計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)、手機(jī)等現(xiàn)代化通訊工具普及后對(duì)學(xué)生產(chǎn)生的影響,由于流體力學(xué)課程知識(shí)體系的特點(diǎn),這種影響產(chǎn)生的負(fù)面問(wèn)題很多,尤其是教授成長(zhǎng)在應(yīng)試教育體制下走入大學(xué)的學(xué)生,更需要轉(zhuǎn)換認(rèn)識(shí),改變教學(xué)觀念,在課堂教學(xué)中廣泛植入實(shí)驗(yàn)?zāi)P徒虒W(xué)和實(shí)例教學(xué),讓學(xué)生直面實(shí)際存在的各種流體流動(dòng)現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)際的流體流動(dòng)現(xiàn)象的觀察和理解,達(dá)到生動(dòng)及形象的把握這些流動(dòng)現(xiàn)象背后的流體力學(xué)的基本定理,有效提升教學(xué)效果的同時(shí),通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷闹谱鬟€可提高學(xué)生的動(dòng)手能力,這對(duì)學(xué)生走向社會(huì)成為一個(gè)具有創(chuàng)造性思維能力、獨(dú)立思考的優(yōu)秀技術(shù)人員也是一個(gè)必不可少的雛形磨礪。 

 

[參考文獻(xiàn)] 

[1]黃衛(wèi)星.工程流體力學(xué)[m].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008. 

[2]李丹,楊斯瑞.應(yīng)試教育與創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)[j].繼續(xù)教育研究, 2009, 25(2): 180-185 

[3]向文英,程光均.流體力學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新[j].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2003,18(4): 21-26. 

篇7

在科學(xué)家眼中,大黃蜂不可能飛得起來(lái)。但事實(shí)上,只要是正常的大黃蜂,沒(méi)有一只是不能飛的;它們飛行的速度也不比其他昆蟲來(lái)得差,這仿佛是大自然在和科學(xué)家開(kāi)玩笑。社會(huì)學(xué)家經(jīng)過(guò)觀察研究后,終于找到了答案。從科學(xué)的角度來(lái)看,大黃蜂的身體構(gòu)造確實(shí)缺乏飛行的條件,但是,每一只大黃蜂都清楚地知道,它們一定要飛起來(lái),才能出去覓食,否則必定會(huì)被餓死。因此,即使身軀笨重、翅膀短小,大黃蜂仍?shī)^力飛行。

科學(xué)家不解的問(wèn)題,答案其實(shí)很簡(jiǎn)單,那就是大黃蜂完全不懂得生物學(xué)與流體力學(xué),它們只是發(fā)揮生命的本能而已。換個(gè)角度想想,如果大黃蜂了解生物學(xué)和流體力學(xué)的基本理論,知道自己身軀與翅膀的比例完全不適合飛行,那么,告訴自己不可能會(huì)飛的大黃蜂,還能夠飛得起來(lái)嗎?

生命本來(lái)就有無(wú)限的潛力,有人因?yàn)檐嚨準(zhǔn)ルp手,但不放棄挖掘自身的潛能,努力利用自己的嘴與雙腳作畫,后來(lái)成為出色的口足畫家。

篇8

20世紀(jì)60年代,環(huán)境問(wèn)題開(kāi)始日益嚴(yán)重并引起人們的重視,多學(xué)科學(xué)者開(kāi)始參與研究和解決環(huán)境問(wèn)題,因此出現(xiàn)了一些新的學(xué)科分支,從不同角度研究和解決環(huán)境問(wèn)題;進(jìn)入70年代后,學(xué)科相互作用、相互滲透的過(guò)程中,產(chǎn)生了相對(duì)獨(dú)立和統(tǒng)一的環(huán)境學(xué),《環(huán)境水文學(xué)》就是環(huán)境學(xué)中環(huán)境地學(xué)的一個(gè)分支,研究環(huán)境學(xué)中的水環(huán)境部分[1]。相比普通水文學(xué),更加重視水量和水質(zhì)的統(tǒng)一,使讀者能夠從水文學(xué)和環(huán)境學(xué)多視角更加系統(tǒng)完整地認(rèn)識(shí)水環(huán)境問(wèn)題中水量和水質(zhì)的變化規(guī)律。由于人類活動(dòng)的影響,使水文情勢(shì)發(fā)生變化,這種變化會(huì)反作用于環(huán)境,導(dǎo)致水旱災(zāi)害等社會(huì)問(wèn)題,因此,在水資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中,如何預(yù)測(cè)和防治水旱災(zāi)害及水環(huán)境問(wèn)題就顯得特別重要[2]。而《環(huán)境水文學(xué)》解決這些問(wèn)題具有指導(dǎo)意義,是未來(lái)極具潛力的研究方向[3]。

一、課程內(nèi)容

目前課程內(nèi)容主要包括三部分:

基礎(chǔ)篇。環(huán)境和流域管理中的基本水文過(guò)程[4],包括降雨、截留和降雪過(guò)程,土壤水和滲流過(guò)程,蒸發(fā)-蒸騰過(guò)程,徑流過(guò)程,地下水變化過(guò)程等。

方法篇。常用的水文分析方法及近年來(lái)興起的新技術(shù)在《環(huán)境水文學(xué)》中的應(yīng)用。

應(yīng)用篇。涉及不同土地利用對(duì)流域水文循環(huán)和水環(huán)境的影響,包括城鎮(zhèn)化[5]、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利工程和森林植被變化等影響水文情勢(shì)的人類活動(dòng)與水文環(huán)境變異之間的關(guān)系。

二、課程的特點(diǎn)

1.教學(xué)內(nèi)容豐富。該課程包含基礎(chǔ)篇、方法篇、應(yīng)用篇和實(shí)踐篇,涉及內(nèi)容非常豐富,教學(xué)過(guò)程中要突出重點(diǎn),抓住主線,著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用水文學(xué)基礎(chǔ)理論解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題的能力。

2.基礎(chǔ)要求高。該課程是一門綜合性很強(qiáng)的課程,涉及到數(shù)學(xué)計(jì)算、模型編程、流體力學(xué)分析、水文地質(zhì)學(xué)、測(cè)量學(xué)、地理信息系統(tǒng)、環(huán)境規(guī)劃與管理等內(nèi)容,要想學(xué)好該課程,需要有多學(xué)科扎實(shí)的基礎(chǔ)理論功底。

3.應(yīng)用性強(qiáng)?!董h(huán)境水文學(xué)》是一門應(yīng)用學(xué)科,應(yīng)該以“基礎(chǔ)篇-方法篇-應(yīng)用篇-實(shí)踐篇”的邏輯順序進(jìn)行教學(xué),最終目的是將水文學(xué)的基本理論和方法落到解決環(huán)境問(wèn)題上來(lái)。因此,學(xué)生實(shí)踐認(rèn)知能力和動(dòng)手能力的培養(yǎng)就顯得特別重要,需要加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練,擴(kuò)寬學(xué)生的思路和知識(shí)面,真正做到學(xué)以致用。

三、目前教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.學(xué)生興趣不高。課程的基礎(chǔ)篇和方法篇涉及內(nèi)容多且復(fù)雜。有些概念還很抽象,如果理論功底不扎實(shí),理解起來(lái)就比較困難,較枯燥乏味,導(dǎo)致學(xué)生上課時(shí)興趣不高。

2.沒(méi)有實(shí)踐學(xué)時(shí)。目前我校環(huán)境科學(xué)專業(yè)的《環(huán)境水文學(xué)》課程只安排了理論學(xué)時(shí),沒(méi)有實(shí)踐學(xué)時(shí)。然而課程本身的特點(diǎn)決定了必須通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)學(xué)時(shí)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和認(rèn)知能力。讓學(xué)生邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí),加深對(duì)基本理論理解的同時(shí),又提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)踐證明,課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)環(huán)節(jié)的缺乏,會(huì)導(dǎo)致學(xué)生綜合能力較弱,實(shí)踐應(yīng)用能力不強(qiáng)且解決實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)變能力較差,工作后競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。

3.上課時(shí)間安排不合理。如前所述,《環(huán)境水文學(xué)》課程對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)要求高,需要學(xué)生修完一定量的基礎(chǔ)課程后學(xué)習(xí)起來(lái)才更容易掌握。目前我校該課程開(kāi)設(shè)時(shí)間和流體力學(xué)課程安排同一個(gè)學(xué)期,沒(méi)有一定的流體力學(xué)分析基礎(chǔ),學(xué)習(xí)《環(huán)境水文學(xué)》課程時(shí)就會(huì)困難重重,學(xué)生理解困難,教師授課時(shí)需要補(bǔ)充流體力學(xué)的內(nèi)容,會(huì)造成課程進(jìn)度過(guò)慢,無(wú)法按時(shí)按質(zhì)完成教學(xué)任務(wù)。

四、今后教學(xué)改革思考

1.課堂教學(xué)要形式多樣。避免在授課過(guò)程中采用單一的講授式、灌輸式授課方式,否則會(huì)限制學(xué)生主動(dòng)思考能力的發(fā)展。課堂教學(xué)方法應(yīng)靈活多樣,以激發(fā)學(xué)生的興趣[6]。因此,在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)多角度啟發(fā)式學(xué)生,同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生將自己對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解及時(shí)反饋給教師,增加互動(dòng)后課堂氣氛也會(huì)活躍起來(lái),同時(shí)也可提出問(wèn)題讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行分組討論,討論過(guò)程中教師做好引導(dǎo),防止討論內(nèi)容偏離主題。

教學(xué)內(nèi)容可通過(guò)圖片、動(dòng)畫或視頻等多種形式進(jìn)行講解,便于學(xué)生理解。但是,也要和傳統(tǒng)的板書教學(xué)相結(jié)合,比如演算和推導(dǎo)過(guò)程如果用多媒體展示,會(huì)導(dǎo)致學(xué)生難以跟上推導(dǎo)過(guò)程,需要通過(guò)慢速板書的形式逐條展示,這樣便于學(xué)生理解。

2.文獻(xiàn)資料查閱和課堂討論相結(jié)合。由于課程的內(nèi)容較多,受課時(shí)限制,不能將課程內(nèi)容一一講解,需要學(xué)生在課后多閱讀相關(guān)的參考書,以彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。同時(shí),教師可設(shè)置一些開(kāi)放性專題,對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組,要求各組學(xué)生課后開(kāi)展文獻(xiàn)資料調(diào)研,并將調(diào)研成果以PPT形式在課堂上展示,然后展開(kāi)討論。討論過(guò)程中活躍了氣氛,提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力,為今后的深造打下良好的基礎(chǔ),考慮將該環(huán)節(jié)作為課程考核中的一部分。

3.實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少。針對(duì)上文提到的無(wú)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)問(wèn)題,可結(jié)合實(shí)際情況增加8~16個(gè)實(shí)踐學(xué)時(shí),包括教學(xué)參觀實(shí)習(xí)、實(shí)地調(diào)研及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié),形成“基礎(chǔ)篇-方法篇-應(yīng)用篇-實(shí)踐篇”的教學(xué)內(nèi)容體系。

可聯(lián)系學(xué)校附近的花溪水庫(kù),組織學(xué)生參觀實(shí)習(xí),了解水庫(kù)的功能和對(duì)河流水文情勢(shì)的改變及機(jī)理,現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)水文監(jiān)測(cè)和水質(zhì)分析鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力,全面理解水利工程對(duì)水文環(huán)境的影響。也可以組織學(xué)生參觀學(xué)校附近的花溪國(guó)家城市濕地公園,了解濕地的類型、功能以及如何保護(hù)等問(wèn)題,調(diào)研區(qū)域水文地質(zhì)條件和水質(zhì)特征,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,掌握河水的水化學(xué)組成及濕地對(duì)水體的凈化功能和能力,讓學(xué)生更全面地理解濕地中水文過(guò)程及其環(huán)境效應(yīng)。

4.開(kāi)課時(shí)間須調(diào)整。如前所述,目前我?!董h(huán)境水文學(xué)》課程的開(kāi)設(shè)時(shí)間不利于學(xué)生更有效地學(xué)習(xí),因此需考慮將《流體力學(xué)》課程開(kāi)設(shè)時(shí)間提前或《環(huán)境水文學(xué)》課程開(kāi)設(shè)時(shí)間推后,讓學(xué)生有一定的流體力學(xué)分析基礎(chǔ)后,再進(jìn)行《環(huán)境水文學(xué)》課程的學(xué)習(xí),這樣更加高效。

五、課程考核方式

學(xué)生往往根據(jù)考試方式來(lái)確定學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)方式,所以課程的考核方式的選取就顯得非常重要。傳統(tǒng)單一、死板的閉卷考試模式容易造成學(xué)生“上課記筆記,下課對(duì)筆記,考試背筆記”的情形,且會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在課堂上提不起學(xué)習(xí)興趣,不能真正地用心去學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)主動(dòng)性大打折扣,很難達(dá)到課程的預(yù)期教學(xué)效果。因此,必須改變?cè)械膯我坏目己朔绞剑稍黾悠渌h(huán)節(jié)的考核,激勵(lì)學(xué)生課堂上積極討論,鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)思考,同時(shí)實(shí)踐能力也必須作為課程考核的環(huán)節(jié),基于以上考慮,課程應(yīng)采取綜合方法評(píng)定學(xué)生的課程成績(jī),可按照理論筆試70%、課堂討論10%、課后開(kāi)放性作業(yè)10%和課程實(shí)踐10%的比例進(jìn)行考核,這種導(dǎo)向真正反映了學(xué)生的綜合素質(zhì),符合人才培養(yǎng)目標(biāo)。

篇9

關(guān)鍵詞:阻尼器;粘滯流體阻尼器;輸出阻尼力

中圖分類號(hào):TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):

引言

粘滯性流體阻尼器是一種使用比較廣泛的減震、隔震設(shè)備,它一般是利用活塞推動(dòng)油缸中的油通過(guò)節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生阻尼力,將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量通過(guò)阻尼器中粘滯流體阻尼材料的粘滯耗能耗散掉,達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)(地震和風(fēng)振)反應(yīng)的目的。本文在普通粘滯阻尼器的研究基礎(chǔ)上,對(duì)自行設(shè)計(jì)研制的新型粘滯流體阻尼器進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),研究粘滯阻尼器輸出阻尼力隨激振頻率、位移幅值和阻尼介質(zhì)粘度變化的關(guān)系。建立力學(xué)模型,標(biāo)定其性能參數(shù)。

粘滯流體阻尼器的基本理論

2.1 粘滯流體材料的耗能機(jī)理

材料有彈性材料和粘性材料之分,理想彈性材料只能儲(chǔ)存能量,而不能耗散能量;相反理想粘性材料則只能耗散能量,而不能儲(chǔ)存能量,即無(wú)剛度;粘彈性材料則既能儲(chǔ)存能量,又能耗散能量;然而在實(shí)際的工程應(yīng)用中理想的粘性或彈性材料是不可獲得的[1][2]。

流體分子之間存在相互吸引的內(nèi)聚力,流體和固體之間又作用著附著力,流體能承受較大的壓應(yīng)力,卻幾乎不能承受拉應(yīng)力,對(duì)剪切應(yīng)力的抵抗極弱,不管作用的剪切力是怎樣的微小,流體總會(huì)發(fā)生連續(xù)變形,這就是流體的易流性。流體在流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出內(nèi)摩擦力,這個(gè)力的大小一方面取決于流體的種類,另一方面也與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。粘性有機(jī)流體材料分子與分子之間的內(nèi)聚力或物理纏結(jié)較弱,分子與分子之間很容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),分子內(nèi)部的化學(xué)單元也能自由旋轉(zhuǎn),因此,在很小的外力作用下,分子之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)變形、滑移、扭轉(zhuǎn),當(dāng)外力除去后,分子間的變形、滑移、扭轉(zhuǎn)基本上不能復(fù)原,這是粘性材料的粘性表現(xiàn)。

2.2粘滯流體的類型與特征

依據(jù)在簡(jiǎn)單剪切流中剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變速度之間關(guān)系的不同,粘滯流體可以分為牛頓流體和非牛頓流體[3] [4] 。

牛頓內(nèi)摩擦定律:不可壓縮的流體流動(dòng)時(shí),流體的剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變速度成正比,即 (1)

式中 ――剪應(yīng)力;――剪應(yīng)變速度;

――牛頓流體的動(dòng)力粘度(在一定溫度和壓力下為常數(shù))。

當(dāng)流體滿足公式(1)時(shí),剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速度呈線性關(guān)系,即為牛頓流體,如水、空氣等;不滿足時(shí),流體剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速度呈非線性關(guān)系,稱為非牛頓流體,如瀝青、水泥漿以及大多數(shù)的油類、高聚物等。

依據(jù)在簡(jiǎn)單剪切流中非牛頓流體的粘度函數(shù)與剪切持續(xù)時(shí)間是否有關(guān),非牛頓流體可以分為非時(shí)變性非牛頓流體和時(shí)變性非牛頓流體。

粘滯流體阻尼器的恢復(fù)力模型

為正確分析附加粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的抗震性能,首先必須確立粘滯阻尼器的恢復(fù)力模型。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的模型主要有:線性模型、Kelvin模型和Maxwell模型[5] [6]。

3.1線性模型

線性模型中,阻尼器出力取決于速度,阻尼力可由下式表達(dá):

(2)

式中 ――線性粘滯阻尼器的阻尼系數(shù);――運(yùn)動(dòng)速度。

假設(shè)有正弦簡(jiǎn)諧波作用于線性粘滯阻尼:(3)

式中 、、為波幅、頻率和時(shí)間??傻米枘崃椋海?)

聯(lián)立上述式子可得力和位移的關(guān)系為:

(5)

可見(jiàn)阻尼器的力和位移關(guān)系式符合橢圓關(guān)系。則阻尼器循環(huán)一周所消耗的能量:

(6)

3.2 Kelvin模型

如果線性粘滯阻尼器的性質(zhì)取決于剛度,我們稱這種模型為Kelvin模型。2-10所示。此外同樣假設(shè)有正弦簡(jiǎn)諧波作用于該阻尼器,則阻尼裝置抗力的表達(dá)式為:

(7)

式中:阻尼器的儲(chǔ)存剛度;C:阻尼器的阻尼常數(shù);:阻尼力的幅值;:阻尼力與位移的相位差。

聯(lián)立可得:

(8)

阻尼系數(shù)和儲(chǔ)能剛度分別為:

(9)

(10)

相位差:

(11)

由于大部分粘滯阻尼器裝置都具有頻率依賴性,所以利用傅立葉變換和歐拉公式可得復(fù)Kelvin模型的抗力表達(dá)式: (12)

其中復(fù)合剛度可由儲(chǔ)存剛度和損耗剛度表示,即: (13)

可由下式計(jì)算:(14)

3.3 Maxwell模型

假設(shè)阻尼單元與“彈簧單元”的位移分別為和,則有下述關(guān)系式:

(15)

(16)

得:(17)

式中:阻尼器的抗力;:零頻率時(shí)的線性阻尼常數(shù);:“無(wú)限大”頻域內(nèi)的剛度系數(shù);:放松時(shí)間系數(shù),。

利用傅立葉變換和歐拉公式可得復(fù)Maxwell模型表達(dá)式:(18)(19)

聯(lián)立上述兩式解得:

(20)

(21)

將代入上式,便可得儲(chǔ)能剛度和耗能剛度:

(22)

(23)

阻尼系數(shù)為:(24)

粘滯阻尼器的力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)采用正弦激勵(lì)法,在計(jì)算機(jī)控制程序中輸入位移和頻率來(lái)控制試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)加載。通過(guò)對(duì)阻尼器施加不同頻率的正弦力,分別測(cè)得各種位移幅值下阻尼器的位移和相應(yīng)的阻尼力以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間,從而得到阻尼器阻尼力隨激振頻率、阻尼材料粘度、和位移幅值變化的動(dòng)力特性。

4.1試驗(yàn)步驟

(1)阻尼器安裝就位、校準(zhǔn);

(2)加載系統(tǒng)和作動(dòng)器的調(diào)節(jié)、校準(zhǔn);

(3)對(duì)阻尼器施加某一頻率的正弦力,從小到大逐級(jí)控制輸入位移幅值,記錄對(duì)應(yīng)的力、位移和時(shí)間;

(4) 按不同頻率對(duì)每一級(jí)頻率,分別輸入(3)中的位移值,并按(3)的方法進(jìn)行試驗(yàn);

(5)更換阻尼器(更換阻尼介質(zhì)),重復(fù)①至④的步驟。

4.2試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象

對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后可以看到主要的試驗(yàn)現(xiàn)象:

(1)試驗(yàn)中得到的阻尼力與位移滯回關(guān)系曲線比較飽滿。(2)在頻率和位移都很小時(shí),阻尼器的阻尼力―位移之間的滯回曲線近似于矩形,表現(xiàn)為摩擦阻尼器的特征。(3)阻尼力―位移滯回曲線沿位移軸有一平移錯(cuò)動(dòng),表明阻尼器產(chǎn)生一定的位移,但不產(chǎn)生阻尼力。(4)同一溫度,在相同的輸入位移下,隨著激勵(lì)頻率的增大,滯回曲線逐漸趨于飽滿。(5)在相同的溫度和激勵(lì)頻率下,隨著輸入位移幅值的增大,滯回環(huán)所包圍的面積逐漸增大,耗能能力也隨輸入位移幅值的增大而增強(qiáng)。(6)在相同溫度、相同的位移幅值和激振頻率下,隨著阻尼介質(zhì)粘度的增加,阻尼力隨之增大。

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可以得到2種阻尼器每一種工況下的最大阻尼力與最大速度(見(jiàn)表1和2)。

采用的恢復(fù)力模型進(jìn)行回歸(得到阻尼器D1和D2的計(jì)算公式(如圖1、2),R2為相關(guān)系數(shù)。

D1:,

D2:,

表1D1幅值5mm時(shí)的最大速度與最大阻尼力

(Hz) (mm/s) (kN)

0.2 6.66 0.34

0.5 16.25 0.65

1.0 30.24 1.20

1.6 47.38 1.92

2.0 57.21 2.28

2.5 53.46 2.12

3.0 49.74 1.93

表2D2幅值5mm時(shí)的最大速度與最大阻尼力

(Hz) (mm/s) (kN)

0.2 6.31 0.8

0.4 12.75 1.2

0.8 26.05 1.7

1.0 31.09 2.04

1.6 46.82 2.67

1.8 51.94 2.71

2.0 53.95 2.9

從回歸出的計(jì)算公式可以看出,阻尼器D2阻尼系數(shù)最大,而且速度指數(shù)最小,非線性更強(qiáng);阻尼器D1約小于1,接近線性。通過(guò)對(duì)比D2與D1的回歸曲線,可知D2在很小的位移下就能產(chǎn)生很大的阻尼力,說(shuō)明改性材料的粘滯阻尼器具有更好的性能。

圖1D1阻尼力-速度回歸曲線

`

圖2D2阻尼力-速度回歸曲線

結(jié)論

從回歸出的計(jì)算公式可以看出,阻尼器D2阻尼系數(shù)最大,而且速度指數(shù)最小,非線性更強(qiáng);阻尼器D1約小于1,接近線性。D2與D1的回歸曲線對(duì)比顯示,D2在很小的位移下就能產(chǎn)生很大的阻尼力,表明所研制的改性材料的粘滯阻尼器具有更好的性能。

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沈崇棠. 非牛頓流體力學(xué)及其應(yīng)用[M]. 北京: 高等教育出版社, 1989

篇10

【關(guān)鍵詞】礦山安全工程;實(shí)踐教學(xué);數(shù)理力學(xué)

一、礦山安全學(xué)科分類及屬性

礦山安全工程是以礦山生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的人身傷害事故為主要研究對(duì)象,在總結(jié)、分析已經(jīng)發(fā)生的礦山事故經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和管理科學(xué)等方面的有關(guān)知識(shí),識(shí)別和預(yù)測(cè)礦山生產(chǎn)過(guò)程中存在的不安全因素,并采取有效的控制措施防止礦山傷害事故的科學(xué)技術(shù)知識(shí)體系。

礦山安全工程在學(xué)科門類上是礦業(yè)工程的一個(gè)分支,跟采礦工程同屬于一級(jí)學(xué)科礦業(yè)工程下面的二級(jí)學(xué)科。因此,從學(xué)科屬性和性質(zhì)上來(lái)講,礦山安全工程專業(yè)知識(shí)體系的構(gòu)建也應(yīng)當(dāng)遵從礦業(yè)工程知識(shí)體系構(gòu)建的學(xué)科規(guī)律。

現(xiàn)如今,煤礦開(kāi)采工藝已較為成熟,但是安全性制約了高效性的發(fā)揮,主要體現(xiàn)為,隨著開(kāi)采深度的增大,地應(yīng)力、瓦斯、構(gòu)造等地質(zhì)條件惡化,帶來(lái)了沖擊地壓、瓦斯突出、熱害、水害、火災(zāi)等災(zāi)害進(jìn)一步加劇,這對(duì)煤礦安全技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。如前所述,煤礦生產(chǎn)的新特征對(duì)礦山安全工程技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

二、礦山安全教學(xué)中存在的問(wèn)題

當(dāng)前淡化專業(yè),寬口徑、通識(shí)教育的導(dǎo)向下,很多屬于采礦學(xué)科的專業(yè)課被一再削減,課程的難度也大大降低。課程太多,學(xué)時(shí)數(shù)不夠,艱深課程概論化導(dǎo)致的。在通識(shí)教育的倡導(dǎo)下,很多本該扎扎實(shí)實(shí)細(xì)致 講授的數(shù)學(xué)物理類、力學(xué)類課程只能概論化,甚至完全不講。而這些較為難懂的課程正是后續(xù)課程的基礎(chǔ),更是學(xué)生今后向上攀登的基石,缺少了這些硬功夫,學(xué)生很難再上一個(gè)臺(tái)階。

現(xiàn)行礦山安全專業(yè)大中專教育中還存在的問(wèn)題是,學(xué)生的數(shù)理功底普遍薄弱。在講授專業(yè)課程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)課程中的理論公式普遍有一種畏難情緒,也沒(méi)耐心去認(rèn)真計(jì)算推導(dǎo),若放在課堂上推導(dǎo)又受到學(xué)時(shí)的限制,若放在課下學(xué)生自學(xué),由于數(shù)理功底弱,學(xué)生又無(wú)法完成自學(xué),這就產(chǎn)生了一個(gè)尷尬的局面。大量的文科性質(zhì)、管理性質(zhì)的安全管理類課程沖淡了行業(yè)專業(yè)課程,造成礦山安全工程專業(yè)學(xué)生底子薄、數(shù)理基礎(chǔ)弱。

此外,理論教育與實(shí)踐脫節(jié)也是許多學(xué)校礦山安全工程教學(xué)的疏漏,眾多學(xué)校著眼于基礎(chǔ)理論方面的學(xué)習(xí),學(xué)生只能從書本中想象具體的操作情況,這顯然與該專業(yè)的專業(yè)需求不匹配。

三、礦山安全教學(xué)新思路建議

1.加強(qiáng)數(shù)理力學(xué)基礎(chǔ),構(gòu)建合理知識(shí)體系

只有采用嚴(yán)密定量化的力學(xué)理論才能精確計(jì)算,為工程實(shí)際提供理論和技術(shù)指導(dǎo),這就需要在知識(shí)體系中重點(diǎn)加強(qiáng)數(shù)理力學(xué)知識(shí)。因而礦山安全教育應(yīng)該構(gòu)建合理的數(shù)理和專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu),如理論力學(xué)、材料力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、傳熱學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)、巖石力學(xué)、滲流力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、散體力學(xué)、滲流力學(xué)等力學(xué)知識(shí)應(yīng)該給予充足的學(xué)時(shí)予以講授。在強(qiáng)大的數(shù)理力學(xué)基礎(chǔ)上,學(xué)生應(yīng)掌握采礦學(xué)、礦山地質(zhì)學(xué)、通風(fēng)學(xué)、工程流體力學(xué)、礦山壓力巖層控制等專業(yè)基礎(chǔ)課程。在此基礎(chǔ)上可適當(dāng)學(xué)習(xí)安全學(xué)的一些基本課理論教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合礦山安全工程包括礦山災(zāi)害所有的防治技術(shù),是保障礦山安全的最主要的技術(shù)手段。

2.理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

理論教學(xué)以課堂講課為主,課堂專題講座和討論、影音教學(xué)和案例教學(xué)為輔。在課程講授過(guò)程中,必須使學(xué)生全面掌握礦山安全基礎(chǔ)知識(shí),構(gòu)建學(xué)生終身受益的知識(shí)體系。將“礦山安全工程”知識(shí)內(nèi)容分為九部分內(nèi)容: 礦山安全現(xiàn)狀與管理、傷亡事故發(fā)生與預(yù)防原理、礦山機(jī)電傷害事故預(yù)防技術(shù)、礦井瓦斯災(zāi)害防治、礦山防火防爆、礦塵防治、礦井水害防治、礦山爆破安全、礦山救護(hù)等。在課程教學(xué)中,不局限于基本知識(shí)和基本技能的掌握,更應(yīng)立足于全面提高學(xué)生素質(zhì),堅(jiān)持“以提高礦山安全的綜合素質(zhì)與能力”的課程教學(xué)理念,在講解基本理論、基本技術(shù)的基礎(chǔ)上,引用大量的案例對(duì)不同防治技術(shù)進(jìn)行分析,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),促進(jìn)學(xué)生積極思考,提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

實(shí)踐教學(xué)主要結(jié)合理論教學(xué),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)。為學(xué)生開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn),并鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展設(shè)計(jì)性的綜合實(shí)驗(yàn),如礦井瓦斯抽放系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、礦井火災(zāi)災(zāi)變時(shí)期風(fēng)流變化實(shí)驗(yàn)等。為提高學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,該課程采用課程設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)來(lái)提高學(xué)生的實(shí)踐能力。針對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容,開(kāi)設(shè)了不同內(nèi)容、不同規(guī)模的課程設(shè)計(jì)。有的設(shè)計(jì)內(nèi)容需要設(shè)計(jì)圖紙,如礦井瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計(jì);有的是對(duì)某礦山事故進(jìn)行分析,如利用事故樹分析礦山外因火災(zāi)的原因。通過(guò)課程設(shè)計(jì),有力提高了學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力。綜合性實(shí)驗(yàn)注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng),結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)的研究項(xiàng)目,選擇一些與實(shí)踐緊密聯(lián)系、并具有一定難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求以及主要任務(wù)交給學(xué)生,學(xué)生通過(guò)自己預(yù)習(xí)理論知識(shí),查閱資料,進(jìn)行討論,掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法和步驟,組織實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施,最后完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3.改革傳統(tǒng)的考核方式

一是主要對(duì)實(shí)驗(yàn)課程基本概念和常識(shí)等基礎(chǔ)知識(shí)的考核,采用包括內(nèi)容、平時(shí)的表現(xiàn)、課堂表現(xiàn)、出勤率、回答問(wèn)題等,占總分的30%。二是采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告占總成績(jī)50%考核;另一項(xiàng)是設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)形式,它是根據(jù)課程的特點(diǎn)而設(shè)置的,學(xué)生可以根據(jù)自身的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng)選擇其中的實(shí)驗(yàn)方法或內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力等等,占總成績(jī)的20%。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的。

四、結(jié)語(yǔ)

礦山安全專業(yè)大專教育的數(shù)理力學(xué)基礎(chǔ)和知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)學(xué)生個(gè)人職業(yè)發(fā)展和對(duì)礦山企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要,此外應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力教育,引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建匹配合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)。才能使人才具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,未來(lái)才能在礦業(yè)涌現(xiàn)出領(lǐng)軍人物。

【參考文獻(xiàn)】